Tijdens het gebruik van röntgenstralen gegenereerd door de geavanceerde lichtbron (ALS), een synchrotron-faciliteit bij het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab), een bismuthoudend thermo-elektrisch materiaal bestuderen dat warmte kan omzetten in elektriciteit, natuurkundige M. Zahid Hasan van Princeton University zag dat iets het verwachte beeld van het gedrag van elektronen in het materiaal verstoorde.

Weten hoe elektronen in dit materiaal bewegen, werd gezocht als een sleutel om te ontcijferen hoe het werkte, dus deze interferentie - die hij en zijn team meer dan tien jaar geleden waarnamen tijdens een experiment waarbij gebruik werd gemaakt van een op röntgenstraling gebaseerde techniek genaamd ARPES (angle-resolved photoemission spectroscopie) - was in het begin een probleem ... in het begin.

"Sinds 2004, Ik was betrokken bij dit onderzoek op zoek naar een beter begrip van op bismut gebaseerde thermo-elektrische materialen, onder andere, ' zei Hasan.

Rond 2007, na het voltooien van meer röntgenexperimenten bij de ALS en andere synchrotrons, en na enig begrip te hebben gekregen van de theorie met betrekking tot de observaties van zijn team, het zou Hasan duidelijk worden dat deze obstructie eigenlijk een ontdekking was:een ontdekking die een revolutie zou ontketenen in materiaalonderzoek die vandaag de dag voortduurt, en dat zou uiteindelijk kunnen leiden tot nieuwe generaties elektronica en kwantumtechnologieën.

Topologisch materieonderzoek is nu een bloeiend onderzoeksgebied bij de ALS, met verschillende medewerkers die zich toeleggen op het ondersteunen van röntgentechnieken die grotendeels gericht zijn op de eigenschappen ervan.

"Sinds 2005, iets aan de oppervlakte irriteerde me nogal, " zei Hasan, een natuurkundeprofessor van Princeton die eind 2016 gastdocent werd aan de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en een gasthoogleraar aan de UC Berkeley. "Ik kon de oppervlaktetoestanden niet kwijtraken."

Terug in Princeton, Hasan raakte in gesprek met een collega natuurkundeprofessor, Duncan Haldane, en hij sprak ook met Charles Kane, een natuurkundeprofessor aan de naburige Universiteit van Pennsylvania, voor hun collectieve theoretische inzicht over de oppervlakte-effecten die hij zag in sommige bismuthoudende materialen. "Op dat moment was ik niet op de hoogte van de theoretische voorspellingen."

Ze bespraken theoretisch werk, waarvan sommige tientallen jaren teruggaan, die bizarre en veerkrachtige "topologische" toestanden had onderzocht waarin elektronen zich over het oppervlak van een dun materiaal konden bewegen met bijna geen weerstand - zoals in een traditionele supergeleider maar met een ander mechanisme.

Het theoretische werk leverde weinig aanwijzingen op om de effecten te vinden in de materialen die dit fenomeen vertonen, Hoewel. Dus Hasan ging op een pad dat de kwantumtheorie binnenkwam, deeltjesfysica, en complexe wiskunde.

"Ik moest alle abstracte wiskunde in deze experimenten vertalen, ' zei hij. 'Het was alsof ik uit een vreemde taal vertaalde.'

Flash forward naar oktober 2016, en deze keer beschreef Haldane zijn vroege theoretische werk tijdens een persconferentie over de Nobelprijs. Haldane deelde in 2016 de Nobelprijs voor Natuurkunde met David Thouless van de Universiteit van Washington (een voormalig postdoctoraal onderzoeker bij Berkeley Lab), en J. Michael Kosterlitz van Brown University voor hun werk in "theoretische ontdekkingen van topologische faseovergangen en topologische fasen van materie."

Haldane had gezegd ten tijde van de aankondiging van de Nobelprijs:"Ik heb in de eerste krant gezet dat dit waarschijnlijk niet iets is dat iemand zou kunnen maken." Zijn werk, hij zei, was een "slaper" die "heel lang als een interessant speelgoedmodel bleef zitten - niemand wist precies wat hij ermee moest doen."

Wat hielp om dat "speelgoedmodel" tot leven te brengen, waren latere theorieën van Kane en medewerkers, en innovatieve ARPES-studies bij de ALS en andere synchrotrons die exotische topologische toestanden in sommige materialen rechtstreeks onderzochten.

Synchrotrons zoals de ALS hebben tientallen bundellijnen die gefocuste röntgenstralen en andere soorten lichtstralen produceren voor een verscheidenheid aan experimenten die de eigenschappen van exotische materialen en andere monsters op kleine schaal onderzoeken, en ARPES geeft inzicht in de elektroneneigenschappen van materialen.

Het Nobelcomité, in het ondersteunende materiaal voor de prijs, had vroege experimenten aangehaald door Hasan's team bij de ALS op materialen die topologische isolatorfasen vertonen. Een topologische isolator werkt als een elektrische geleider aan het oppervlak en een isolator (zonder elektrische stroom) aan de binnenkant.

Zahid Hussein, afdelingsafgevaardigde bij de ALS zei:"Hasan is een uitzonderlijke wetenschapper met een diep begrip van zowel theorie als experiment. Hij is de reden dat dit experimenteel zichtbaar werd. Eén experiment deed dat."

Het werk van Hasan zorgde voor een vroege demonstratie van een 3D-topologische isolator, bijvoorbeeld.

Bij deze materialen de elektronenbeweging is relatief robuust, en is immuun voor vele soorten onzuiverheden en misvormingen. Onderzoekers hebben zelfs bij kamertemperatuur voorbeelden gevonden van topologische eigenschappen in materialen.

Dit is een cruciaal voordeel ten opzichte van zogenaamde hoge-temperatuur-supergeleiders, die moet worden gekoeld tot extreme temperaturen om een ​​bijna weerstandsvrije stroom van elektronen te bereiken.

Met topologische materialen, de elektronen vertonen unieke patronen in een eigenschap die bekend staat als elektronenspin en die analoog is aan een kompasnaald die omhoog of omlaag wijst, en deze eigenschap kan veranderen op basis van het pad en de positie van het elektron in een materiaal.

Een mogelijke toekomstige toepassing voor de spin-eigenschappen van elektronen in topologische materialen is spintronica, een opkomend veld dat de spin-on-demand probeert te beheersen om informatie te verzenden en op te slaan, net als de nullen en enen in het traditionele computergeheugen.

Spin kan ook worden gebruikt als informatiedrager in kwantumcomputers, die mogelijk exponentieel meer berekeningen van een bepaald type in kortere tijd zou kunnen uitvoeren dan conventionele supercomputers.

Jonathan Denlinger, een stafwetenschapper in de Scientific Support Group bij de ALS, zei dat de baanbrekende onderzoeken naar materialen met topologisch gedrag leidden tot een snelle verschuiving in de focus op de oppervlakte-eigenschappen van materialen. Onderzoekers waren van oudsher meer geïnteresseerd in elektronen binnen de "bulk, " of binnenkant van materialen.

Hasans groep gebruikte drie ALS-bundellijnen:MERLIN, 12.0.1, en 10.0.1 - in baanbrekende ARPES-studies van topologische materie. Hasan was een co-leider op het voorstel dat leidde tot de bouw van MERLIN in de vroege jaren 2000.

Denlinger, en collega-ALS-stafwetenschappers Alexei Fedorov en Sung-Kwan Mo, werken aan deze ALS-bundellijnen, die gespecialiseerd zijn in ARPES en een verwante variant genaamd spin-opgeloste foto-elektronenspectroscopie. De technieken kunnen gedetailleerde informatie verschaffen over hoe elektronen in materialen reizen en ook over de spinoriëntatie van de elektronen.

ARPES-bundellijnen bij de ALS blijven een grote vraag naar onderzoek naar topologische materie. Fedorov zei, "Tegenwoordig, bijna elk voorstel dat op de een of andere manier aan onze bundellijn wordt voorgelegd, gaat over topologische materie."

De zoektocht naar ontdekkingen van nieuwe topologische materie bij de ALS zal ook worden gestimuleerd door een bundellijn die bekend staat als MAESTRO (Microscopic and Electronic Structure Observatory) die vorig jaar voor gebruikers werd geopend en zal helpen bij het visualiseren van exotische geordende structuren gevormd in sommige topologische materialen.

"ALS-U, een geplande upgrade van de ALS, zou topologische materiestudies moeten verbeteren en verbeteren met behulp van de ALS, "Zei Mo. "Het zal ons in staat stellen om ons te concentreren op een heel kleine plek, " die meer details zou kunnen onthullen in het elektronengedrag van topologische materie.

Verbeterde röntgenprestaties kunnen helpen bij het identificeren van enkele topologische materialen die voorheen over het hoofd werden gezien, en om hun eigenschappen beter te onderscheiden en te classificeren, zei Hasan.

vroege werk van Hasan in topologische materie, inclusief topologische isolatoren, leidde hem naar de detectie van een eerder getheoretiseerd massaloos deeltje dat bekend staat als het Weyl-fermion in topologische semimetalen, en hij bedenkt nu een verwant experiment waarvan hij hoopt dat het de periode van het vroege heelal zal nabootsen waarin deeltjes massa begonnen aan te nemen.

Denlinger, Fedorov, en Mo maken zich op voor meer onderzoek naar topologische materie, en bereiken mogelijke medewerkers in Berkeley Lab en de wereldwijde wetenschappelijke gemeenschap.

Materialen op nanoschaal zijn veelbelovend voor toepassingen van topologische materialen, en thermo-elektriciteit - diezelfde materialen die warmte kunnen overbrengen naar elektriciteit en vice versa, en dat leidde tot de eerste realisatie van topologische materie in röntgenexperimenten - zou op korte termijn prestatiewinsten moeten opleveren dankzij het koortsachtige tempo van R&D in het veld, merkte Fedorov op.

Hasan, te, zei dat hij enthousiast is over de vooruitgang in het veld. "We zitten midden in een topologische revolutie in de natuurkunde, zeker, " hij zei.